開關電源如今在行業中的應用非常廣泛
，為多種終端應用提供高能效方案。它們常用於計算機
、電動工具
、電視
、多媒體平板電腦


、智能手機、汽車及其它不計其數電子設備的電源及電池充電電路。

 

消費類電子行業應用最普及的轉換器之一是DC-DC降壓(step-down
，亦稱buck)轉換器。

 

簡(jian)而(er)言(yan)之(zhi)，同(tong)步(bu)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)用(yong)於(yu)將(jiang)電(dian)壓(ya)從(cong)較(jiao)高(gao)的(de)電(dian)平(ping)降(jiang)至(zhi)較(jiao)低(di)的(de)電(dian)平(ping)。隨(sui)著(zhe)業(ye)界(jie)轉(zhuan)向(xiang)更(geng)高(gao)性(xing)能(neng)的(de)平(ping)台(tai)
，電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)能(neng)效(xiao)成(cheng)為(wei)設(she)計(ji)的(de)一(yi)項(xiang)關(guan)鍵(jian)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)。因(yin)此(ci)，重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)理(li)解(jie)同(tong)步(bu)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)基(ji)礎(chu)知(zhi)識(shi)，以(yi)及(ji)怎(zen)樣(yang)恰(qia)當(dang)地(di)選(xuan)擇(ze)電(dian)路(lu)元(yuan)件(jian)。

 

 

同步降壓轉換器的概念簡單
，它產生低於輸入電壓的穩壓電壓，可以提供大電流
，同時將功率損耗降至最低。

圖1：同步降壓轉換器電路圖。

 

同步降壓轉換器包含2顆功率MOSFET、1顆輸出電感及1顆輸出電容。此特定降壓拓撲結構的名稱來源於它的2顆功率MOSFET的控製方法；導通/關斷(on/off)控製被同步，以提供經過穩壓的輸出電壓，並防止2顆MOSFET同時導通。

 

高邊MOSFET(Q1)直接連接至電路的輸入電壓。當Q1導通時，電流通過它提供給負載。在此期間
，低邊MOSFET(Q2)關斷
，流過電感的電流增加
，為電感電容(LC)濾波器充電。當Q1關斷時，Q2導通，此時電流通過它提供給負載。在此期間
，渡過電感的電流減小，使LC濾波器放電。當兩顆MOSFET都關斷時，低邊MOSFET提供額外功能，即通過本體二極管對開關節點電壓來鉗位
，以防止高邊晶體管首先關斷時開關電壓(VSW)升至太高的負值。

 

開關節點電壓被LC輸出段弄得更平順，從而在輸出端產生穩壓直流電壓。兩顆MOSFET被同步控製以防止擊穿(shoot-through)
，而當高邊及低邊MOSFET同時處於導通狀態時，產生直接對地短路，會發生擊穿現象。

 

高邊MOSFET導通時間決定了電路的占空比(duty cycle)。如果占空比等於1

，那麼高邊MOSFET在全部占空比均處於導通狀態，輸出電壓等於輸入電壓。占空比為0.1表示高邊MOSFET僅有10%時間導通，產生的輸出電壓約為輸入電壓的10%。

 

降壓轉換器功率損耗受多種因素影響

，包括功率MOSFET輸出段、控製器/驅動器、反饋回路及轉換器本身的布線。大多數降壓轉換器設計的占空比小於0.5，而計算機及服務器市場的降壓轉換器標準占空比是0.1至0.2。

 

設she計ji平ping台tai正zheng轉zhuan向xiang更geng高gao開kai關guan頻pin率lv，能neng夠gou減jian小xiao轉zhuan換huan器qi尺chi寸cun及ji外wai形xing因yin數shu。同tong時shi
，轉zhuan換huan器qi必bi須xu提ti供gong更geng高gao性xing能neng及ji更geng高gao能neng效xiao。輸shu出chu段duan性xing能neng大da幅fu影ying響xiang降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi整zheng體ti性xing能neng。因yin此ci，重zhong要yao的de是shi針zhen對dui特te定ding應ying用yong優you化hua電dian感gan及ji電dian容rong選xuan擇ze。

 

 

同步降壓轉換器的輸出段由電感及電容組成。它儲存及為負載提供能量，使開關節點電壓變得平順以產生恒定輸出電壓。

 

電dian感gan選xuan擇ze直zhi接jie影ying響xiang電dian感gan電dian流liu中zhong的de電dian流liu紋wen波bo的de量liang
，以yi及ji降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi本ben身shen的de電dian流liu能neng力li。不bu同tong製zhi造zao商shang製zhi造zao的de電dian感gan在zai材cai料liao及ji電dian感gan值zhi方fang麵mian會hui有you差cha異yi
，公gong差cha通tong常chang為wei± 20%。電感包含固有的直流阻抗(即DCR)，會影響輸出段的性能。將DCR降至最低，即提升轉換器的整體性能。對於要求大負載電流的應用而言，建議選擇帶低DCR的電感。電感值較低的電感DCR也較低
，但在電感與紋波電流之間有折衷；電感越低，流過電感的紋波電流越大。必須達到最低電感，以符合特定應用電路的紋波電流要求。

 

輸出電容直接影響轉換器輸出電壓
、輸(shu)出(chu)反(fan)饋(kui)回(hui)路(lu)的(de)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)，以(yi)及(ji)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)變(bian)化(hua)時(shi)出(chu)現(xian)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)過(guo)衝(chong)的(de)量(liang)。直(zhi)流(liu)輸(shu)出(chu)端(duan)存(cun)在(zai)紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)，因(yin)為(wei)流(liu)過(guo)電(dian)感(gan)及(ji)電(dian)容(rong)的(de)電(dian)流(liu)上(shang)升(sheng)及(ji)下(xia)降(jiang)。增(zeng)加(jia)電(dian)容(rong)會(hui)減(jian)小(xiao)存(cun)在(zai)的(de)紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)的(de)量(liang)。然(ran)而(er)，在(zai)電(dian)容(rong)與(yu)輸(shu)出(chu)回(hui)應(ying)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)折(zhe)衷(zhong)。增(zeng)加(jia)電(dian)容(rong)減(jian)小(xiao)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)紋(wen)波(bo)及(ji)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)過(guo)衝(chong)
，但(dan)延(yan)長(chang)了(le)使(shi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)回(hui)路(lu)回(hui)應(ying)負(fu)載(zai)變(bian)化(hua)所(suo)需(xu)的(de)時(shi)間(jian)。因(yin)此(ci)，必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)最(zui)小(xiao)電(dian)容(rong)，以(yi)符(fu)合(he)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)及(ji)電(dian)壓(ya)過(guo)衝(chong)要(yao)求(qiu)，同(tong)時(shi)維(wei)持(chi)足(zu)以(yi)快(kuai)速(su)回(hui)應(ying)負(fu)載(zai)變(bian)化(hua)的(de)反(fan)饋(kui)回(hui)路(lu)。

 

電容也包含寄生串行電阻，也就是等效串行電阻(ESR)。ESR影響輸出電壓紋波及轉換器整體能效。因此，設計人員正轉向低ESR設計。表麵貼裝陶瓷電容在要求高性能、小外形因子的係統中正變得盛行。使用並行的多顆電容使設計人員能夠提供係統要求的電容，同時大幅減小等效的ESR。

 

 

設she計ji降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi輸shu出chu段duan時shi，建jian議yi從cong電dian感gan開kai始shi。最zui小xiao電dian感gan根gen據ju目mu標biao紋wen波bo電dian流liu及ji其qi它ta應ying用yong電dian路lu規gui範fan來lai計ji算suan。一yi旦dan選xuan擇ze好hao了le電dian感gan
，就jiu可ke以yi確que定ding最zui小xiao電dian容rong。

 

在電感與紋波電流之間存在折衷。目標紋波電流越少，就相當於最小電感越大。為了最佳化輸出濾波器性能，建議設定20%至40%的目標電感紋波電流。

 

需要計算最大ESR及最小電容，從而在高邊MOSFET關斷時維持穩壓轉出電壓
，以及將輸出電壓上存在的紋波的量降至最低。輸出電壓紋波可以表達為峰值-峰值電壓，或者以電容電壓比(CVR)的形式來表述。

 

輸出電容值及ESR越大，輸出回應負載變化所需經曆的時間就越長。ESR也影響輸出電壓紋波。

 

當高邊MOSFET導通時
，流過電感及電容的電流增加

，輸出電壓也增加。當高邊MOSFET關guan斷duan時shi，流liu過guo電dian感gan及ji電dian容rong的de電dian流liu下xia降jiang，輸shu出chu電dian壓ya也ye下xia降jiang。為wei了le提ti供gong恒heng定ding輸shu出chu電dian壓ya，轉zhuan出chu電dian流liu增zeng加jia的de量liang必bi須xu等deng於yu電dian容rong電dian流liu減jian小xiao的de量liang。因yin此ci，流liu過guo電dian容rong的de穩wen態tai電dian流liu為wei0 A。

 

chulegujishuchuwenbodianyajidianganwenbodianyaduishuchudianrongdeyingxiang，yebixugujishuchuduandeshunshifuzaihuiyingnengli。tongbujiangyazhuanhuanqibixunenggouhuiyingfuzaidianliubianhua，tongshiweichiwenyashuchudianya。dangfuzaidianliucongjiaogaozhibianweijiaodizhishi
，shuchudianyajiangzanshizengjia
，zhidaozhuanhuanqinenggoutiaojiezhankongbi
，yishishuchudianyafanhuizhitadewenyazhi。cizanshishuchudianyazengjiachengzuoshuchudianyaguochong。dangfuzaicongzuidafuzaiguodudaokongzaishi，jiuchuxianzuihuaiqingkuangguochong。shuchudianrongbixunenggouchulicishunshitiaojian。shuchudianyashunshihuiyingyushuchudianyawenbozhijiancunzaizhezhong。ciliangxiangyinsubixupinghengqusheyimanzutedingyingyongxuqiu。

 

選擇電容時一個好的經驗法則是選擇值比計算的最小電容高最少20%的輸出電容，從而顧及到電壓公差。

 

降壓轉換器輸出濾波器設計影響輸出電流紋波、輸出電壓紋波
、shuchudianyaguochongyijifankuihuiludeshunshihuiying。yuanjianxuanzeyeyingxiangzhuanhuanqidenengxiao。yingxiangtongbujiangyazhuanhuanqinengxiaodezuidayinsushishuchudianganxuanze。dianganzhijiDCR都會大幅影響性能。

 

 

同步降壓轉換器的輸出段在轉換器性能方麵發揮重要作用。為了達到目標紋波電流
、shuchuwenbodianyajishuchuguochong，bixuxuanzechaoguozuixiaodianganzhihezuixiaodianrongzhidedianganhedianrong。dangzhenduitedingyingyongxuanzedianganjidianrongshi
，haibixugujiqitayinsu。shuchuduankeyitongguozhenduitajianggongzuodetedingyingyongbiaozhunlaishejierzuijiahua。

 

電(dian)感(gan)值(zhi)在(zai)輸(shu)出(chu)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)以(yi)及(ji)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)能(neng)效(xiao)性(xing)能(neng)方(fang)麵(mian)發(fa)揮(hui)重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)。此(ci)外(wai)，輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)較(jiao)高(gao)時(shi)
，輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)紋(wen)波(bo)也(ye)會(hui)改(gai)善(shan)。轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)能(neng)效(xiao)受(shou)使(shi)用(yong)的(de)電(dian)感(gan)的(de)DCR大幅影響。

 

電(dian)感(gan)與(yu)電(dian)感(gan)飽(bao)和(he)電(dian)流(liu)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)折(zhe)衷(zhong)。因(yin)此(ci)，為(wei)了(le)符(fu)合(he)或(huo)超(chao)越(yue)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)要(yao)求(qiu)，電(dian)感(gan)必(bi)須(xu)大(da)於(yu)計(ji)算(suan)的(de)最(zui)小(xiao)電(dian)感(gan)值(zhi)，而(er)電(dian)感(gan)飽(bao)和(he)電(dian)流(liu)必(bi)須(xu)大(da)於(yu)最(zui)大(da)負(fu)載(zai)時(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)。

 

電(dian)容(rong)也(ye)在(zai)同(tong)步(bu)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)性(xing)能(neng)方(fang)麵(mian)發(fa)揮(hui)重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)。輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)電(dian)壓(ya)紋(wen)波(bo)的(de)量(liang)及(ji)輸(shu)出(chu)段(duan)的(de)電(dian)壓(ya)過(guo)衝(chong)。然(ran)而(er)，電(dian)容(rong)對(dui)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)能(neng)效(xiao)性(xing)能(neng)的(de)影(ying)響(xiang)極(ji)小(xiao)。